超表面光学在汽车激光雷达和驾驶员监控系统中的应用

引言 光学传感器正迅速成为许多车辆的标准设备。车身外的传感器，如激光雷达（LiDAR），在自动驾驶汽车和驾驶员辅助安全功能中发挥着关键作用。车辆内部的光学传感器用于监测驾驶员以确定其专注度，并解读手势。Metalenz正在商业化超表面——这是一种新的光学元件，它允许通过单一、平面化的半导体层完全控制光的所有方面（相位、波长、强度和偏振）。由亚波长纳米结构组成，单个超表面可以执行通常需要四个或更多传统折射和/或衍射光学才能完成的 optical functions。本文将探讨汽车传感系统中的不同场景——包括外部激光雷达和车内驾驶员监控——其中，使用 Metalenz 的创新光学超表面（超光学）的解决方案可以比传统光学提供成本和性能改进，并为当前相机和机器视觉系统无法捕获的环境提供全新的洞察力。 外部汽车传感 周围环境的实时数据，使驾驶员和车辆本身能够在道路上做出更好的决策。不同的传感模式用于特定的应用和目的。对于 在当前及未来的汽车迭代中，无论是传统汽车还是自动驾驶汽车，外部传感在车辆的安全和运行中起着至关重要的作用。多种传感器为车辆提供了一系列 需要可靠且安全的自主飞行。此外，视觉相机系统在黑暗（例如，夜晚）或直射照明（例如，迎面而来的车灯）条件下性能有限。激光雷达系统因其高分辨率和主动照明能力而备受关注，这些能力克服了其他感知方法的一些缺点。这些系统通常使用近红外（NIR）或短波红外（SWIR）光工作，并可用于短程和长程外部汽车感知。由于这些优势，激光雷达被视为高度自主汽车的使能技术。 例如，超声波传感器通常用于停车辅助，可见光摄像头用于危险识别、车道辅助和停车辅助，无线电探测和测距（RADAR）用于避撞和紧急制动，而激光雷达用于盲点检测、物体检测、避撞、紧急制动和自动驾驶。 这些传感方法各有优缺点，适合特定的使用场景。有充分文献证明，雷达系统存在角分辨率有限的问题，因此在远距离测量方面不太理想。 激光雷达方法 汽车激光雷达有多种方法，这些方法取决于所需的系统级特性，包括但不限于：光源、范围、照明方法、测距方法和工作波长。 激光雷达的射程与照明考虑：“闪光”与扫描 大多数激光雷达系统由于它们具有高光功率输出、阵列式架构、窄带宽和成本效益，使用垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为光源。边发射激光器（EEL）也用于激光雷达系统，通常用于高功率和长距离应用。这些光源集成到激光雷达系统中，该系统倾向于在特定的距离范围内运行： 短程/中程（“闪光”）激光雷达：这些系统倾向于通过将激光光（通常来自VCSEL）扩展到特定模式或漫射场（也称为“泛光”照明）来工作。它们通常被称为“闪光”系统，因为它们通常使用一个激光脉冲来成像整个场景，就像传统相机的闪光灯一样。返回信号由高分辨率图像传感器收集并转换为3D点云，其中包含相关的位置和深度信息。闪光系统通常比其他系统具有更高的数据速率，但由于收集所有入射光，它们存在高功耗需求和低动态范围的缺点。 远程（扫描）激光雷达：这些系统通常通过准直单个高功率激光器或多个高功率激光器阵列来创建一个强烈的点或线，并对整个场景进行扫描。扫描输出光束的方法有很多种，从旋转镜子的机械组件到无数固态方法，这里无法详细涵盖。然后，返回信号由单个光子探测器或单个光子探测器阵列收集，以实现包含相关位置和深度信息的高分辨率三维点云。这些系统需要更大的光学设备，其中最大限度地从远距离（>200米）的物体返回信号至关重要。通过限制照明区域，扫描系统对高环境光条件更加鲁棒，尽管它们受制于光束扫描方法的影响。 额外系统级选项 如同任何基于激光的光学源一样，眼安全在激光雷达系统的设计中至关重要。工作在近红外波长（905 nm，940 nm）的系统受功率限制更严重，而基于短波红外（1550 nm）的系统可以在远高得多的光功率水平下运行，这主要源于眼安全考虑。波长选择也影响整体系统设计和成本，因为近红外波长可以使用廉价有效的硅基探测器，而短波红外波长则需要更昂贵的InGaAs基探测器。机械、热和可靠性也是汽车原始设备制造商（OEM）高度重视的优先事项。汽车环境要求遵循严格的可靠性标准（如IATF 16949、AEC-Q100和AEC-Q200）、宽温度范围（例如从-45°C到150°C）以及强烈的振动载荷。任何希望装配到车辆中的组件都必须满足这些标准，这对激光雷达系统的最终设计具有重大影响，例如。 在激光雷达系统中使用两种主要的测距方法——基于飞行时间（ToF）的系统和调频连续波（FMCW，也称为“相干”）系统。ToF系统通过直接或间接测量光从其源头到探测器所需的时间来工作，该时间可以利用光速转换为距离。这些系统通常比替代方案更便宜来实现，并且可用于短程和远程系统。FMCW系统通过改变激光源的频率（因此也是波长），将发射信号与反射信号干扰，并测量合成信号的频率变化来工作。测量的频率变化与传播时间成正比，这同样可以利用光速转换为距离。这些系统通常具有高性能，但代价是成本和复杂性的增加，并且在实践中仅限于更远程的系统，其中更高的性能是一个更可取的好处。 为什么使用元光学用于激光雷达？ 一个DOE的生成函数，并实现相似或更好的光学性能。或者，一个单一的Rx超表面光学元件可以同时执行折射透镜堆的准直和聚焦功能，同样具有相似的性能。这些超表面光学元件可以通过提高光收集和对比度、减少噪声以及使用单个光学元件来允许更宽的照明（FOI）和视场（FOV）来提高光学性能。除了它们的多功能设计和性能提升能力外，超表面光学元件比传统光学元件具有更高的热稳定性，能够使它们在要求苛刻的汽车环境中保持性能。超表面光学元件也受益于用于制造它们的经过验证的半导体工业工艺，确保了高零件间重复性和合理的汽车规模化生产。这些优势使超表面光学元件成为汽车OEM和一级供应商有吸引力的解决方案。 虽然激光雷达系统包含各种高层权衡，但某些组件级的选择可以提供独特的优势。许多激光雷达系统的光学部分使用传统折射透镜和衍射光学元件（DOE）的组合，用于发射（Tx）光学部分，以及用于接收（Rx）光学部分的折射透镜。如前所述，汽车要求光学系统在非常大的温度范围内工作，并尽可能多地收集光。由于传统透镜的光学特性随温度变化，通常需要复杂的、包含多个元件的光学组件来使系统温度补偿。通过使用超表面光学来取代汽车激光雷达系统Tx和Rx侧的折射透镜和DOE，可以克服这些额外的系统复杂性和增加的成本。超光学可以将通常在多个折射或衍射光学中找到的光学功能组合成一个平面光学元件。例如，单个Tx超表面光学元件可以同时执行折射透镜堆栈的准直功能以及图案 图4：传统成像和照明光子堆叠与超表面光学解决方案的比较。成像堆叠包含折射透镜、带通滤波器（BPF）和近红外CMOS图像传感器（CIS）。照明堆叠包含衍射光学元件（DOE）、折射透镜和VCSEL作为光源。超表面堆叠由一个超表面透镜（金属透镜）和一个单独的光源或图像传感器组成。注意，在成像应用中，BPF也将位于图像传感器上方。 金属恩斯泰克激光雷达模块：更简单，更好 在汽车LiDAR系统中使用超表面光学元件具有额外的优势，特别是在发射端(Tx端)。对于线扫描应用，单个超表面光学元件可以在没有复杂的光学系统的情况下，生成许多(超过一百条)线，并且具有宽的视场角(FOI) (>150°)。对于漫射模式，其中超表面光学元件将取代衍射光学元件(DOE)和折射堆叠，单个小元件可以在整个视场角内实现对强度的精确控制。对于直接飞行时间LiDAR系统的点模式应用，Metalenz的超表面光学元件可以在相关的视场角内生成高度均匀且对比度高的光斑。正如这些例子所示，超表面光学的一个关键优势是由于对其特性、属性和入射光的精确控制而带来的设计灵活性。 盲点检测或车道辅助，短程激光雷达系统在此领域表现出色。此外，采用传输模式而非泛光照明可以提高这些短程应用的信噪比。Metalenz的元表面光学能将这些所需功能集成在一个光学元件中，在节省成本的同时不牺牲性能。 金属恩泽的光学器件是在采用成熟生产技术的尖端半导体晶圆厂中制造的，这些技术经过数十年的完善。半导体晶圆厂能够达到的无与伦比的精度确保了极高的零部件间重复性，这允许快速扩展到大规模生产数量，非常适合汽车应用。此外，在半导体晶圆厂中生产超表面光学器件利用了供应链的巨大规模经济，使得超表面光学器件能够以极具竞争力的价格点提供性能优势。汽车激光雷达系统正处在能够获得超表面光学器件的好处中的最佳位置。 来自 Metalenz 的元光学对于自动驾驶汽车的中短程激光雷达系统具有独特的设计优势。宽 FOI 光学对于周边感知应用（例如）特别有利。 在一个元光学器件中扫描激光雷达 长距离扫描汽车激光雷达的研发大多集中于实现“全固态”激光雷达——一种无需任何物理活动部件的扫描解决方案或方法。这类方法通过不依赖笨重的旋转机械组件来降低系统成本和提高可靠性，但实现这种固态扫描的方式多种多样。一种固态扫描方法是透镜后方的可切换光学发射器阵列，文献中称为透镜辅助光束转向（LABS）。例如，可寻址VCSEL阵列，其中每个VCSEL阵列部分照亮光学的不同部分。根据哪个光学部分被照亮，光线以不同角度射向外部场景，以在整个阵列切换时有效地扫描区域 依次开关。这种系统特别适用于超表面光学器件，其中光学器件可以优化设计以匹配可切换VCSEL阵列的布局。光学器件甚至可以设计为以这些不同角度投射独特的图案，以便它们不重叠并且仍然可以扫描超表面光学的整个FOI。这使得单个模块中能够进行固态扫描，大大简化了扫描LiDAR系统的成本和复杂性。这样的系统可用于驾驶员辅助/监控功能，或作为自动驾驶系统的一部分。 车内汽车传感：驾驶员监控系统 (DMS) 包括后排是否有人或宠物。他们还可以检查分散注意力的物品，例如手机或其他电子设备，以及监控身体朝向，以便在发生事故时优化安全气囊的部署。这些传感器需要在各种照明条件下有效运行，包括夜间。这真的只有在使用红外摄像机时才有可能，这些摄像机使用车内照明，而该照明对人类眼睛来说是不可见的。DMS解决方案的优势以及对该类解决方案在更高级别自动驾驶中的要求，已导致欧盟要求欧洲在2024年销售的新车型中配备一定水平的DMS，预计美国及其他地区将效仿。 感应系统不仅贯穿了汽车的外部环境，还进入了车厢内部。近年来，车内汽车感应领域蓬勃发展，因为更高水平的自动驾驶要求在车辆行驶时对驾驶员进行监控和互动。这类系统被称为驾驶员监控系统（DMS）。DMS及其构成传感器的趋势是专注于监控驾驶员的警觉性，确保他们保持清醒、专注且不分心。DMS还可能包含一种驾驶员面部识别功能，以代替启动按钮来启动车辆，从而提供额外的安全层。这些系统中的部分传感器并非仅专注于驾驶员，而是监控整个车厢的状态。 DMS的元光学优势 新兴的DMS市场要求这些系统采用广角FOV、小型化、汽车级的光学解决方案，这些系统通常会安装在车辆的转向盘或后视镜上。与可见光相机相比，红外解决方案在高环境光条件下表现优异，并且其能够对车厢进行不可见照明以用于传感，因此具有明显的优势。这些要求都指向超表面光学作为一种潜在解决方案。Metalenz的元光学技术能够有效覆盖广角视野 提供具有单个光学元件的更简单的光学系统。超构光学器件的形状尺寸缩小和温度稳定性可以降低系统成本并提高系统可靠性，这对汽车一级供应商至关重要。此外，Metalenz的超构光学器件工作在近红外，与使用可见光相机的方案相比，在各种照明条件下能提供更好的性能。